陶瓷材料在车辆上的应用与发展

物陶瓷。现代陶瓷又称精细陶瓷， 可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 陶瓷的性能由两种因素决定。 首先是物质结构，主要是化学键的 性质和晶体结构。它们决定陶瓷材 料的性能，如耐高温性、半导体性 及绝缘性等；其次是显微组织，包 括相分布、晶粒大小和形状、气孔 大小和分布、杂质、缺陷等。这对
! "# 玻 璃 相
!*# 普通陶瓷
普通陶瓷是用粘
土、长石、石英为原料，经配制、 烧结制成。这类陶瓷质地坚硬、不 氧化生锈、耐腐蚀、不导电、能耐 一定高温、加工成型性好、成本低， 但强度较低。一般最高使用温度不 超 过 *"$$+ 。 这 类 陶 瓷 产 量 大 种 类 多，广泛用于电气、化工等行业。
’$%。 !(# 气相
!’# 氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷是
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产业透视
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陶瓷材料种类繁多，各有 特色，可制成各种功能元 件
新型工程陶瓷，它原料丰富、加工性能 好、用途广泛。制备方法有反应烧结法 和热压烧结法。前者是用硅粉加入少量
繁多，各有特色，可制成各种功能元件。 氧化锂瓷为高温材料，滑石瓷为高频绝 缘材料，氧化钍瓷为介电材料，钛酸钡 瓷为光电材料，硼化物、氮化物、硅化 物等金属陶瓷为超高温材料。铁氧体瓷 为永久磁铁、记忆磁铁、磁头等材料， 稀土钴瓷为存贮器材料，半导体瓷为亚 敏元件、太阳电池等材料。
陶瓷材料中往往存在 许 多 气 孔 ， 体 积 约 占 )%&*$% ， 这 主要是由于原材料和生产工艺方面 的原因造成的。较大的气孔往往是 裂纹形成的原因，会降低材料的机 械性能。另外，陶瓷材料的介电损 耗也因之增大，并造成击穿强度下 降。故一般应尽量降低材料的孔隙 率。但在某些情况下，如用作保温 的陶瓷材料和化工用的过滤陶瓷等， 则需要有控制的增加气孔量。
玻璃是非晶态材
材料的力学性能影响极大，而显微 组织又受制备过程中各种因素的影 响，在使用时必须严加注意。
料，由熔融的液体凝固得到。陶瓷 中玻璃相的作用是将分散的晶相粘 结在一起；降低烧成温度；抑制晶 体长大以及填充气孔空隙。但玻璃 相的机械强度比晶相低，热稳定性 差，在较低的温度下就开始软化。 而且往往因带有一些金属离子而降 低陶瓷的绝缘性能。工业陶瓷要控 制 玻 璃 相 的 数 量 ， 一 般 约 为 "$% &
1一旦产生爆震，机械振动就加剧2，
间接地察觉爆震。 利用压电性的传感器：所谓压 电性是指一旦加力，就产 生 电 压 ， 反之，一加上电压，就会产生位移 或力这一性质。具有压电体的陶瓷 已在许多领城广泛应用。这种被称 作 3!. 的 材 料 除 在 传 感 器 上 得 到 利用外，还被用在倒车报 警 器 上 ， 作为超声波的接收器和发射器而被 利用。 陶瓷促动器：陶瓷压电体一旦 沿电极化方向施加电压，就会因压 电效应沿极化方伸张。利用这一性 质，开发了陶瓷促动器。发动机控 制用的陶瓷促动器，把多个薄板状 压电陶瓷叠层，通过对其施加电压 得到位移。利用外加电压得到的位 移量，是很微小的，但发 生 力 大 ， 动作也迅速。
!"# 氧化铝陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
氧化铝瓷的原
料是工业氧化铝，性能好，但工艺 复杂，成本高。氧化铝瓷强度大、 硬度高、耐腐蚀、绝缘性好，耐热 温 度 可 达 *,$$+ ， 但 脆 性 大 ， 抗 震 性差。主要用在喷砂用的喷嘴、火 箭用导流罩。还可作化工泵用密封 滑环、轴承及切削刀具等。
!(# 碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷是
&-2 、 输 出 范 围 要 广 。 结 构 陶 瓷 因 具 有
良好的综合性能：高温强度、高耐蚀性、 高耐磨性、低膨胀系数、隔热性好及低
1+2 其 他 陶 瓷 材 料
!" 新 材 料 产 业
陶瓷材料种类
密度，用它来替代耐热合金能大幅度地
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车用新型陶瓷材料
汽车用陶瓷大致可分为功能材料和
结构材料。功能材料主要是利用其绝缘 性、介电性、压电性、半导体、磁性等 特异功能，主要用于传感器，此外，还 可用于各种执行元件、陶瓷加热器、导 电材料、显示装置等。陶瓷传感器在温 度传感器、位置传感器、速度传感器、 气体传感器、湿度传感器、离子传感器、 仓储等得到非常广泛的应用。用于汽车 的传感器应具有的特性：要能长久适用 汽车特 有 的 恶 劣 环 境 1 高 温 、 低 温 、 振 动、加速、潮湿、噪声、废气 2 ；要小型 轻量；重复使用性要好 1 精度达 3(*+-/
!! 新 材 料 产 业
在汽车上很早以前就在火花塞、窗 玻璃、水泵的机械式密封中使用了 陶瓷。而且作为排放对策，触媒载 体、氧传感器、爆震传感器等功能 陶瓷相继出现。目前，已有许多发 动机零件采用结构陶瓷制造，不久 的将来，陶瓷发动机将会出现。
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陶瓷的结构相
!#" 晶 相
晶相是体现陶瓷材
料性质的主要组成相。大多数陶瓷 材 料 是 由 离 子 键 ! 如 $%& 、 ’(& 、
’%、 (# 或 #% 气的影响，在数秒钟
内 即 可 检 测 出 数 ))* 的 &#+， 这 是 用 于 柴 油 机 检 测 &#+ 的 理 想 传 感器。还有温度传感器在汽车行业 不仅用于空调，还具有防止玻璃结 露的作用。 陶瓷湿度传感器的类型：一是 半导体型。它是利用水的电子给予 性化学吸附所产生的半导体电阻变 化的原理；二是容量型。利用水的 吸附产生容量变化的原理。采用的 氧化物有 ,-%#%、 ./%#0 等；三是质 子传导型。它是利用多孔质陶瓷表 面上水的物理吸附及毛细管凝结而 引起电阻变化的原理。目前主要采 用在室温附近的质子传导型。 爆震传感器可预知高负荷下易 产生的爆震防止点火延迟。特别适
产业透视
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陶瓷材料在车辆上的 应用与发展
晓 青 陶瓷是古老而又新型的材料， 它是用天然或人工合成的无机粉状 物料，经过成型和高温烧结而制成 的一种多相固体材料。利用天然硅 酸盐矿物 ! 如粘土、长石、石英等 " 为原料制成的陶瓷叫普通陶瓷，也 叫传统陶瓷。这类陶瓷原料来源 广，成本低，用量大。天然原料中 的杂质对陶瓷的性能不利，人们用 纯度高的人工合成原料 !如氧化 物、氮化物、碳化物、硅化物、硼 化物、氟化物等"，用传统陶瓷工 艺方法制造的新型陶瓷，也叫现代 陶瓷或特种陶瓷。陶瓷一般由晶 相、玻璃相和气相组成。 汽车工业应用多属精细陶瓷，
提高热机效率、降低能耗、节约贵 重金属、达到轻量化效果。目前 ， 已广泛用于制造发动机和热交换器 零件。此外，结构陶瓷还被用来制 造切削工具、轴承、泵的机械密封 环等，实用效果也很好。结构陶瓷 的优良机械性能要得以充分发挥 ， 并用于大量生产的汽车零件，要解 决性能的稳定性和再现性及不断完 善加工技术、评价技术、接合技术 等。
用碳化硅粉，用粉末冶金法经反应 烧结或热压烧结工艺制成。碳化硅 瓷最大特点是高温强度高、传热能
"
陶瓷的类型、性能和用途
陶瓷产品的种类繁多，性能各
力强、热稳定性好、耐磨抗蠕变性 好。用作火箭尾部喷管喷嘴、轴承、 高温热交换器材料以及各种泵的密 封圈。
异，其分类方法也各不相同。总体 上可分为普通陶瓷和特种陶瓷。从 组成上可分为氧化物陶瓷和非氧化
!"#$% 粉 ， 成 型 后 在 氮 气 下 &’&() 氮 化 &*+,， 然 后 再 进 行 机 械 加 工 ， 最 后 在 &%+() 氮化直至硅都变成氮化硅，所得
制品致密性好。 氮化硅耐高温、抗热震性好，可制 作高温轴承、输送铝液的电磁泵管道、 炼钢用铁水流量计。制成燃气轮机零 件，提高效率 #(- ，并可减轻自重；制 成切削刀具可加工淬火钢、冷硬铸铁 等。从材料来看，最好的发动机材料应 是，在 &%(() 情况下，每分钟旋转数千 到数万次而不损坏的性质。目前的高应 力 的 镍 基 或 钼 基 合 金 也 只 能 在 &&(() 下，每分钟可耐 .(((( 转。为把发动机 热效率提高，则发动机的工作温度必须 提 高 到 &&(()/&+(() ， 此 时 金 属 材 料 就不行了，故 !"#$% 陶瓷材料可以满足要 求。用 !"#$% 陶瓷材料制造发动机，由于 工作温度提高到 &#0() ，发动机效率可 提高 #(- 。同时由于温度提高，可使燃 料充分燃烧，排出的废气中污染成分大 幅度下降，不仅降低能耗，并且减少了 环境污染。
用于装有涡轮充电机的发动机。检 测爆震主要根据汽缸部件的振动
:6667 以 上 ， 热 效 率 提 高 : 倍 以
上。结构陶瓷的质量为 铁 的 一 半 ， 节能效果非常显著，同时还能减少 环境污染，节约钢材等 金 属 材 料 。 但由于陶瓷材料性能的再现性和可 靠性差，不能确保大量生产的稳定 性，同时陶瓷加工困难、质脆、稍 有缺陷就容易破裂以及成本高等缺 点，所以目前还没广泛使用。 新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等 无机非金属烧结而成。与以往使用 的氧化铝陶瓷相比，强度是其 0 倍 以 上 ， 能 耐 :6667 以 上 高 温 ， 新 材料推进了汽车上新用 途 的 开 发 。 例如：要将柴油机的燃耗费降低
化物系陶瓷半导体有随温度升高电 阻下降的性能，把具有这种特性的 半导体称为热敏电阻。热敏电阻的 使 用 温 度 可 达 #&&&’ ， 被 广 泛 用 于防止排气净化触媒的过热。上述 这种随温度升高电阻下降的热敏电 阻称为 ()* $ 负电阻温度系数 % 热 敏 电 阻 。 +,)-.! 系 半 导 体 ， 在 居 里点以上电阻急剧增加，把这种具 有正电阻温度系数的热敏电阻称为
新型陶瓷材料推 进了汽车上新用 途的开发
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出空燃比。此外还有其他的气体传 感器，如金属氧化物半导体传感器 是利用了表面吸附气体成分变化电 阻也随之变化这一性质制成。利用 溅射法形成 !"# 及 $"#% 薄膜 ， 由 于 &#% 在 膜 表 面 上 吸 附 负 电 荷 ， 当 &#% 浓 度 增 加 的 同 时 ， 元 件 电 阻增大。另外薄膜元件显示了很高 的灵敏度。这些传感器不受共存的
)*+,- 等 " 和共价键 ! 如金刚石、 ./’
等 " 为主要结合键。晶体中非金属 元素的原子直径大，可排列成不同 的晶系，形成晶体“骨架” ，金属
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原子的直径小，处于骨架的间隙中。 陶瓷晶体中主要的两类结构是 硅酸盐结构和氧化物结构。陶瓷材 料是多相多晶体材料，物理化学性 能主要由晶相决定。晶相中晶粒的 大小对陶瓷的性能影响很大。晶粒 越细，晶界越多，裂纹扩展越不容 易，材料的强度越高。这一点和金 属材料很相似。
/)* 热敏电阻。通过改变化学成分 $ 更换 01 或 /2% 来控制电阻急剧增
加而产生的温度变化，可作为自行 控制温度加热器或温度补偿用热敏 电 阻 。 这 种 /)* 加 热 器 被 用 于 自 动阻风门、各种传感器内加热 体 、 进气加热器等。
$3% 感温 铁 氧 体
它由于利用
了在居里点导磁率急剧变化的特 性，被利用于温度转换。当温度上 升时，热运动剧烈，其感温铁氧体
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车用功能陶瓷材料
的固有特性即自发极化消除。为使 三元触媒工作，必须使排气空燃比 保持在理论空燃比，即氧为零的状 态，为此采用氧化锆氧传感器。氧
汽车用温度传感器以热敏系为 主；发动机冷却水温度调节也有采 用感温铁氧体的。
$#% 热敏电 阻
过渡族金属氧
化锆管的内侧通入大气，外侧引入 排气。温度升高，氧就离子化，由 于离子浓度差在固体电解质中将产 生自大气侧向排气侧的扩散，构成 一种浓淡电池，从而产生电势。在 排气侧，由于白金触媒的作用，使 氧与一氧化碳、碳化氢、氢分子等 发生反应，达到平衡浓度。氧浓度 以理论空燃比为界产生急剧变 化 。 其结果，氧传感器在理论空燃比上 下会发生阶跃性变化的信号。利用 该信号，可反馈控制空燃比。 在氧分压低的保护气下，)-.3 晶体中形成晶格缺陷，使电阻下 降，利用这一现象制成氧传感 器 。 已实用化的稀薄燃烧空燃比传感 器4是 利 用 氧 化 锆 固 体 电 解 质 的 电 化学泵作用的氧化锆传感器。将氧 化锆固体电解质通以电流，会产生 阴极吸氧，阳极放氧现象。当外加 电压保持一定时，输出电流与空燃 比呈正比，据此测定该电流即可求